中國最前沿的“十大科學(xué)技術(shù)問題”

中國最前沿的“十大科學(xué)技術(shù)問題”2022年8月1日，首屆“青年科學(xué)家502論壇”發(fā)布“十大科學(xué)技術(shù)問題”。“十大科學(xué)技術(shù)問題”由“科學(xué)探索獎”的100位獲獎人提出，并投票產(chǎn)生，體現(xiàn)中國最杰出青年科學(xué)家們最前沿的科學(xué)探索和他們對未來科學(xué)技術(shù)趨勢的判斷。1、人類的意識以及學(xué)習(xí)和記憶的生物基礎(chǔ)從何而來？解讀人：李毓龍（北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授）第二次工業(yè)革命之前，研究意識為何物一直是哲學(xué)家的“特權(quán)”；近100年來，技術(shù)革命推動生命科學(xué)的蓬勃發(fā)展，生物學(xué)家也開始參與到這個問題的解答當(dāng)中。目前研究表明，意識的產(chǎn)生以及學(xué)習(xí)記憶能力的發(fā)展主要依賴于我們的大腦。人類大腦中有數(shù)百億的神經(jīng)元，神經(jīng)元之間會形成復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)連接：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以電信號形式編碼客觀世界一一形成意識；反過來客觀世界又能夠重塑網(wǎng)絡(luò)的連接方式一一發(fā)生學(xué)習(xí)和記憶。基于電學(xué)、光學(xué)或化學(xué)等單一學(xué)科的技術(shù)路徑已經(jīng)不足以解析大腦這一復(fù)雜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。想要進一步理解大腦的工作原理，人類需要在技能樹上點亮一系列學(xué)科深度交叉的新技術(shù)：包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)空間結(jié)構(gòu)解析技術(shù)、大規(guī)模神經(jīng)活動記錄和分析技術(shù)，以及精準(zhǔn)的神經(jīng)操控技術(shù)。第四次工業(yè)革命產(chǎn)生的新技術(shù)將推動人類對腦科學(xué)的認知更上一步臺階，自然科學(xué)與哲學(xué)將更快在“山頂”相會。2、人腦和機器是否能實現(xiàn)直接通信？解讀人：楊玉超（北京大學(xué)人工智能研究院研究員）根據(jù)世界衛(wèi)生組織報告，截至目前全球殘疾人數(shù)量已超過10億，僅中國就有超過8500萬，這樣一個龐大群體的生存質(zhì)量亟待改善。對于具有肢體殘疾和感知障礙的人群來說，實現(xiàn)人腦和機器的直接通信可以部分甚至完全恢復(fù)其運動和感知功能，極大地便利其生活，是一個關(guān)系億萬人福祉、具有重要現(xiàn)實意義的問題。腦機接口技術(shù)是實現(xiàn)人腦和機器直接通信的橋梁，通過腦機接口可以直接提取神經(jīng)信號，完成對人的行為意向的分析，并借助光、電、磁、聲等調(diào)控技術(shù)反向干預(yù)人腦行為，主要依靠包括高通量多位點腦信息獲取、在線神經(jīng)信號解碼、腦機融合智能設(shè)備、腦干預(yù)技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)來實現(xiàn)。當(dāng)前腦機接口技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)高速意念打字、人腦控制機械手快速抓取等任務(wù),但離人腦和機器直接通信還有相當(dāng)大的距離。精準(zhǔn)、小型化、高度集成化、生物兼容性強的腦機接口是未來的發(fā)展方向，以實現(xiàn)腦機深度融合，達到高精度的行為意向抽取及神經(jīng)行為干預(yù)，并進一步與類腦計算、人工智能等技術(shù)結(jié)合實現(xiàn)腦機混合智能。3、通用人工智能是否能實現(xiàn)？解讀人：山世光(中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所研究員)人類一直以萬物之靈自居，但計算機誕生后，人類的基礎(chǔ)計算能力和機械記憶能力卻被機器碾壓式超越。65年前，人工智能(AI)作為一門學(xué)科誕生，其先驅(qū)們曾經(jīng)樂觀地相信不用20年即可實現(xiàn)人類水平的智能，現(xiàn)實卻是殘酷的，AI科學(xué)家們越來越清晰地認識到實現(xiàn)通用人工智能(AGI)是一項巨大的科學(xué)挑戰(zhàn)，人工智能研究的兩次“寒冬”讓更多的研究者徹底失去了實現(xiàn)AGI的信心。但最近10年來，深度學(xué)習(xí)的復(fù)興，特別是最近BERT/GPT-3等具備超強語言能力的預(yù)訓(xùn)練大模型的誕生，再次燃起了AI專家心中的理想火焰。實現(xiàn)AGI的核心是賦予算法機器類人的、求解新問題的能力，其挑戰(zhàn)在于：機器如何更高效地獲取經(jīng)驗數(shù)據(jù)并從中學(xué)習(xí)，實現(xiàn)“舉一反三”、小樣本歸納并演繹“吃一塹長一智”乃至“無師自通”等能力？機器如何高效獲取、緊湊表示和充分利用人類知識（特別是常識）？如何實現(xiàn)機器學(xué)習(xí)所得“機器知識”與“人類知識”的融會貫通和相互轉(zhuǎn)換？求解之路仍然迷霧重重，甚至連初見端倪的預(yù)訓(xùn)練大模型是否是正確的起點亦不得而知，AI科學(xué)家們只能在迷霧中上下求索。4、如何延緩衰老，促進機體修復(fù)，提高人類壽命？解讀人：劉穎（北京大學(xué)未來技術(shù)學(xué)院教授）隨著人口老齡化的加劇，衰老及相關(guān)疾病正在帶來巨大的社會和經(jīng)濟負擔(dān)，大力推進衰老領(lǐng)域的研究刻不容緩。1939年，研究人員發(fā)現(xiàn)限制熱量攝入可延長大鼠的壽命，首次證明衰老可以被人為干預(yù)。1988年，利用秀麗隱桿線蟲進行的遺傳學(xué)研究實現(xiàn)了另一突破。研究人員發(fā)現(xiàn)一個名為age-1的基因的突變可以將線蟲的壽命增加40%?60%,證明了對單一基因的干預(yù)就能影響和決定生物體的壽命,這些讓人們確信能找到?jīng)Q定衰老速度和壽命長短的“法寶”。隨后,秀麗隱桿線蟲和釀酒酵母的遺傳學(xué)研究揭示了更多影響壽命的關(guān)鍵基因，囊括了當(dāng)今衰老領(lǐng)域內(nèi)的“明星通路”：胰島素樣信號途徑、雷帕霉素受體蛋白、Sirtuin和NAD+、線粒體與氧化應(yīng)激、端粒功能和蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)等，當(dāng)今大多數(shù)正在進行臨床實驗的衰老相關(guān)藥物也與這些關(guān)鍵基因相關(guān)。未來我們需要更多的工作來整合多條衰老相關(guān)遺傳通路，以加深對衰老生物學(xué)基礎(chǔ)的理解。除此之外，在尊重生物倫理的基礎(chǔ)上，要推進直接靶向衰老通路的臨床試驗。這些方向的研究有望使我們延緩甚至逆轉(zhuǎn)衰老。5、如何實現(xiàn)量子計算實用化？解讀人：陸朝陽（中國科技大學(xué)量子物理與量子信息研究部教授）在數(shù)據(jù)暴增的時代，如何滿足人類對算力貪得無厭的需求？通過對單原子、單光子等微觀粒子進行精確的人工操縱，量子力學(xué)原理提供了一種全新的方式對信息進行編碼、存儲、傳輸和調(diào)制，在增大信息傳輸容量、提高運算速度和確保信息安全等方面能夠突破經(jīng)典信息技術(shù)的瓶頸。量子計算是目前人類唯一被嚴格證明具有解決經(jīng)典計算機無法求解的問題的潛力的新方法。然而，真正的應(yīng)用還有諸多挑戰(zhàn)，其中之一就是如何把真實重大應(yīng)用映射到量子計算系統(tǒng)中。量子模擬和計算的能力隨可操縱的量子比特數(shù)呈指數(shù)增長，因此如何有效擴展量子比特的規(guī)模和高保真的邏輯操作是核心任務(wù)。由于量子比特不可避免地會受到環(huán)境噪聲的影響而出錯，要最終實現(xiàn)可編程的通用量子計算機，通過量子糾錯來保證整個系統(tǒng)的正確運行是必然要求，也是較長時期內(nèi)面臨的主要挑戰(zhàn)。在量子比特系統(tǒng)的邏輯操縱精度到達可容錯量子計算的要求之前，作為階段性應(yīng)用，可以構(gòu)建針對特定問題的專用量子模擬機，則有望揭示凝聚態(tài)物理中若干復(fù)雜體系的機制。此外，量子模擬和計算面臨的一個重大理論問題是，由于量子計算和模擬解決的是經(jīng)典計算機無法解決的計算難題，如何驗證計算或模擬結(jié)果的正確性？6、清潔能源、環(huán)境保護、氣候變化的協(xié)同機制如何建立？解讀人：王書肖（清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院教授）當(dāng)前世界面臨能源資源匱乏、全球氣候變化、生態(tài)環(huán)境惡化等一系列重大挑戰(zhàn)，原因之一就是人類對化石能源的大量消耗和嚴重依賴。目前全球化石能源占一次能源消費比重超過80%?；茉慈紵a(chǎn)生的二氧化碳占溫室氣體總排放的70%以上，是造成全球氣候變化的主要原因；同時，化石能源生產(chǎn)和使用過程產(chǎn)生大量的二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳、揮發(fā)性有機物、顆粒物等大氣污染物，導(dǎo)致大氣環(huán)境惡化，每年造成全球數(shù)百萬人早逝。探索能源環(huán)境氣候協(xié)同治理機制,提出氣候友好的清潔能源和環(huán)境保護協(xié)同路徑，對于實現(xiàn)全球可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)具有重要意義。構(gòu)建能源、環(huán)境和氣候變化三者協(xié)同的機制,需要圍繞清潔能源技術(shù)、節(jié)能提效減污降碳技術(shù)、能源環(huán)境系統(tǒng)集成耦合與優(yōu)化技術(shù)、氣候治理與環(huán)境污染協(xié)同應(yīng)對路徑、零碳/負碳能源技術(shù)及系統(tǒng)的綜合評價、促進能源轉(zhuǎn)型的碳市場機制等開展研究。其中，可再生能源發(fā)電、儲能技術(shù)、多污染物協(xié)同減排技術(shù)、能源環(huán)境綜合評估模型、碳市場機制等最有可能取得突破。7、暗能量和暗物質(zhì)的本質(zhì)是什么？解讀人：施勇（南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院教授）量子力學(xué)和廣義相對論是20世紀(jì)物理學(xué)兩大輝煌的成就，奠定了現(xiàn)代科技的基礎(chǔ)。暗能量和暗物質(zhì)的出現(xiàn)卻直接證明了當(dāng)前的粒子理論和引力理論是不正確的或者不全面的，我們賴以發(fā)展科技的“基礎(chǔ)”還存在被優(yōu)化的空間。暗能量是指未知的“斥力”來加速宇宙的膨脹,暗物質(zhì)是指未知的物質(zhì)來產(chǎn)生額外的引力，按照目前的觀測推算，這兩者分別約占宇宙總能量的70%和25%,而由質(zhì)子、中子和電子組成的正常物質(zhì)只占5%o未來，地面和空間的各類大型科學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施將通過多種手段來探索暗能量和暗物質(zhì)。暗能量方面，將探究其能量密度是否隨時間變化以及是否隨宇宙空間變化等現(xiàn)象；暗物質(zhì)方面，將通過其湮滅或衰變現(xiàn)象、與正常物質(zhì)的碰撞現(xiàn)象以及其在宇宙空間的密度分布等方法來探索其本質(zhì)。多種探測手段的結(jié)合和互補是我們真正理解暗物質(zhì)和暗能量的關(guān)鍵。8、人類如何在地外行星（如火星）上居住一年以上？解讀人：魏勇（中國科學(xué)院地球與行星物理重點實驗室主任）走出地球是人類永恒的夢想，深空探測是科技競爭的制高點。美國和中國掌握了火星軟著陸技術(shù)，承載著人類登陸火星的夢想，將賦予人類進化和人與自然關(guān)系新內(nèi)涵。人類火星往返包括一年的太空旅行和一年半的火星生活?；鹦峭堤岢鋈筇魬?zhàn)：地火往返技術(shù)、生命保障系統(tǒng)、生理心理干預(yù)。太空旅行擁有載人登月的寶貴經(jīng)驗做基礎(chǔ)，火星生活則是一個從零開始的全新工程。實現(xiàn)宇航員在火星居住一年以上，是對人類航天、能源、通信、電子、醫(yī)學(xué)、生物科技等各方面科技水平的全面檢驗，由此產(chǎn)生的新的理論突破和發(fā)明創(chuàng)造將顯著改變?nèi)藗兊纳罘绞?，甚至引發(fā)新一輪歷史性的科技革命。該項目的規(guī)模和復(fù)雜程度為人類歷史之最，對管理學(xué)等社會科學(xué)的發(fā)展同樣會產(chǎn)生深遠影響。國際合作是實現(xiàn)這一目標(biāo)的最優(yōu)方式，世界科技合作與競爭也有可能圍繞這一問題，產(chǎn)生新局面和新態(tài)勢。9、如何“求教”大自然，開發(fā)高度集成、智能、可修復(fù)的仿生系統(tǒng)？解讀人：王鉆開（香港城市大學(xué)機械工程系講座教授、工學(xué)院副院長）科技迅猛發(fā)展使得人類入太空潛深海，似乎“無所不能”。但一個最基本的科學(xué)事實卻是，即便神舟十二號上精巧的“天和”機械臂，其系統(tǒng)的集成度、智能化以及自我修復(fù)功能也遠遠低于生物系統(tǒng)。在集成度方面，生物體系可以利用簡單有限的生物材料，高效制備和自組裝形成復(fù)雜的生物個體，科學(xué)家雖然能制造復(fù)雜的化學(xué)和物理單元,然而讓這些單元自發(fā)裝配成為復(fù)雜高度集成的個體結(jié)構(gòu)，仍是夢想;在智能化方面，生物體系可以融合個體感知、思考和控制反饋，衍生出群體溝通、競爭和合作，相比而言，仿生智能軟硬件卻只能實現(xiàn)其中的“冰山一角”；在修復(fù)方面，小到壁虎斷尾再生，大到生態(tài)系統(tǒng)的有機統(tǒng)一、低能耗和動態(tài)平衡，生物體系擁有非凡的修復(fù)本領(lǐng)，仿生系統(tǒng)的可修復(fù)探索還僅僅停留在分子層面的自愈合。仿生系統(tǒng)的構(gòu)建，涉及方方面面：從材料、制造到組裝，從單元、個體到集群。從理解自然界材料合成、組裝及演變的共性機理，為仿生體系研發(fā)提供理論支撐；到構(gòu)建仿生智能表界面，有效調(diào)控仿生系統(tǒng)與外界環(huán)境的交互；再到開發(fā)規(guī)模化綠色制造技術(shù)，構(gòu)建跨尺度、多功能協(xié)同的仿生系統(tǒng)；乃至發(fā)展高度集成的智能類生命體，人類將一步步向大自然“求教取經(jīng)”。10、太陽能發(fā)電的規(guī)?；咝?yīng)用如何突破？解讀人：周歡萍（北京大學(xué)材料科學(xué)與工程系特聘研究員）地球上一切能源來自太陽能，地球每年消耗的全部能量，僅相當(dāng)于太陽“給予”地球能量的一萬分之一，太陽能利用還大有可為。有效利用太陽能能逐步滿足人類的能源需求，作為最重要的清潔能源之一,太陽能的高效利用也有助于